【摘 要】钢筋混凝土框架结构是常见的建筑结构形式,在工业与民用建筑中是一种广泛应用的结构类型,对该类结构在抗震设计时应充分提高其整体的抗震能力。根据设计工作中遇到的问题,概括地总结了钢筋混凝土框架结构在抗震设计中的建筑布置、结构的抗震等级、结构构件的延性及有关强柱弱梁,强剪弱弯等设计中应考虑的事项。
【关键词】钢筋混凝土框架结构；抗震设计
钢筋混凝土框架结构(以下简称框架结构)是我国既有建筑的重要组成类型。钢筋混凝土框架体系,其建筑布置比较灵活,可以设计成具有较大空间的各类建筑。钢筋混凝土框架结构在工业与民用建筑中是一种常见的结构类型,特别是随着社会的进步和发展,在一些大中型、多功能的综合建筑应用更加广泛,在工业建筑中应用也很普遍。此类建筑结构设计中应遵循质量中心和刚度中心的重合。如设计中由于功能的区分和要求,质量中心和刚度中心的不重合,在地震作用下会产生较大的扭转效应,设计中应高度重视,这是框架结构的主要特点。因此应充分提高其整体的抗震能力。
1 建筑设计布置原则
在建筑设计中应符合抗震概念设计的要求,不宜采用严重不规则设计方案。在抗震设计中建筑及抗侧力结构的平面图布置应遵循平面和立面外型简单、规则、对称并应具有良好的整体性原则,合理的建筑布置对抗震起重要作用。因为震害表明,建筑结构形式简单对称的建筑在地震时较不容易破坏。建筑布置的“规则”包括了对建筑的平面和立面外形尺寸,抗侧力构件布置原则,结构的侧向刚度宜均匀变化,竖向抗侧力构件的截面和材料宜自下而上逐步减少避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变,质量分布、承载力分布等诸多因素的综合要求。在设计过程中,建筑专业和结构专业应相互配合、协调,才能布置出合理的布局。对抗震性良好的建筑,在钢筋混凝土框架结构抗震设计时要遵循以下原则:
1）面易简单、规则、对称,减少偏心;2）度中心与质量中心尽量重合,否则应考虑其不利影响;3）量大的设备宜布置在刚度中心较近的布位;4）宜采用悬挑结构;5）有多道抗震防线。
2 结构的抗震等级
抗震等级确定是为了更好的对建筑物的抗震采取措施,抗震等级在钢筋混凝土构件的抗震设计,应根据结构类型、房屋高度和设防烈度采取不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构造措施要求。
在平面、立面不规则的建筑结构中,应进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采用有效的抗震构造措施,需要根据具体情况适当提高承载力以推迟或减少进入非弹性阶段,结合具体情况进行承载力和变形能力的设计是解决复杂结构抗震设计的有效方法。钢筋混凝土结构房屋的抗震要求不仅与建筑重要性和地震烈度有关,而且与建筑结构的抗震能力有关,结构的抗震能力又与房屋高度和结构类型、主要抗侧力构件还是次要抗侧力构件等直接有关。结构在水平地震作用下,其内力和侧移随房屋高度增长速度很快,房屋越高地震效应越大,不同结构类型的抗侧力体系或构件对结构抗震能力的贡献不同,框架-抗震墙结构中框架的要求可低于纯框架结构中的框架,抗震墙结构中抗震墙的抗震要求可低于框架-抗震墙结构中抗震墙的抗震要求。
3 抗震结构的延性及结构中设计原则
对于抗震结构除承载力问题之外,还必须考虑的一个重要问题就是延性。结构在地震作用下即使进入破坏阶段,由于具有充分的延性性能将意味着结构虽然会产生较大的变形,但是不会发生脆性破坏和倒塌。考虑到地震区的结构设计应经济合理,延性性能成为一个极为重要的问题。因为现在建筑抗震设计规范的基本原则只能用来设计在弹性范围内承担低于本地区多遇地震作用的结构,而在罕遇地震时,则需依靠屈服后可利用的延性,使得结构能够保存下来而不致倒塌,这就是延性设计的重要意义。
延性性能是指结构或构件在承载力没有明显下降的情况下能够承受很大的非弹性变形能力。一般结构的延性包括:结构延性和构件延性,而结构延性包括总体延性和楼层延性。构件延性要求一般都高于结构延性的要求,而构件延性又取决于构件截面纵向配筋率,约束混凝土和防止纵向钢筋压屈的箍筋配筋率,混凝土和钢筋的强度以及轴向荷载的大小。
构件破坏时的变形与屈服时变形的比值称为构件的延性,延性越大,则结构在地震作用下可以承受大的塑性变形而不破坏倒塌,可以使地震作用更多地降下来。因此结构的设计和配筋构造都要保证它具有足够的延性。因此,结构要有良好的抗震性能,通常采取以下措施保证结构的延性:
1)有足够的承载力来保证结构的强度;2)有足够的抗侧向力的刚度来保证结构的侧向位移;3)结构的自震周期应与地震的卓越周期错开;4)尽可能设置多道防线;5)在地震作用下节点承载力应大于相连构件承载力,当构件屈服时,退化时,节点应保证承载力和刚度不变;6)合理控制结构的非弹性部位(塑性铰区),实现合理的机制;7)结构单元之间应遵守牢固连接或彻底分离的原则;8)底层应加强,弯矩考虑增大;地下室一层可考虑延性;9)采用有效措施,防止早出现剪切、锚固、受压等脆性破坏,因此采用“约束混凝土”是非常重要的措施;10)抗震设计中应加强的就强,应弱的就弱,不得任意加强。因此在设计不合理的任意加强以及在施工中以大代小改变钢筋,都需要慎重考虑;
框架设计中应遵循“强柱弱梁”的原则,推迟柱端出现塑性铰;还应满足“强剪弱弯”的要求,防止过早发生剪切破坏。为提高框架柱的延性,尚应控制柱的轴压比不要太大。
由于框架柱的延性比梁的延性小,一旦在框架柱形成塑性绞,就会产生很大的层间侧移直接危及结构的竖向承载力。因此在设计中可以有目的地增大柱端弯矩设计值,体现出“强柱弱梁”的原则,使得框架结构在水平地震作用下梁先出现塑性铰。为了防止柱在弯压破坏前发生剪切破坏,要求柱受剪承载力大于柱弯曲屈服时实际达到的剪力。“强剪弱弯”是保证构件的延性防止脆性破坏的重要原则。
4 框架结构的底层柱底、角柱的设计及框架节点
框架结构的底层柱底的抗弯能力应适当提高,其原因:①框架结构的底层柱底过早出现塑性铰,将影响整个框架结构的变形能力,不利于结构持续吸收和耗散地震能量;②随着梁端塑性铰的出现结构发生塑性内力重分布,底层柱的反弯点位置也将改变,而使底层柱底弯矩增大。因此,按《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第6.2.3条一、二、三、四级框架结构的底层,柱下面截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。
框架结构中角柱也应适当提高,其考虑到角柱由于地震作用引起的内力较大且受力复杂,在设计中应增大弯矩和剪力的设计值,对一、二、三、四级框架结构,当角柱内力计算按两个主轴方向分别考虑地震作用时其弯矩、剪力设计值宜在调整后的弯矩、剪力设计值基础上在乘以不小于1.1的增大系数。
框架节点是结构抗震的薄弱部位,在水平地震力作用下,框架节点受到梁柱传来的弯矩、剪力和轴力作用,节点核芯区复杂应力状态,地震时,一旦节点破坏,难以修复和加固。因此应根据“强节点”的设计原则使得节点核芯区的承载力强于与之相连的杆件的承载力设计值。
5 结语
总之,结构抗震设计一方面应按现行设计规范对结构进行必要的计算,满足承载力和变形的要求;另一方面还要采取正确的构造措施,提高结构的延性,防止结构倒塌。在进行钢筋混凝土框架结构的抗震设计时,首先要有合理的满足抗震要求的建筑布置,同时要有清楚的抗震设计概念,不仅要进行抗震理论计算,更要重视框架结构的构造要求,确保框架结构的设计安全可靠。
参考文献:
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[2]王荣浩.浅析水泥混凝土破坏机理及提高其强度措施[J].科技创新导报,2008.
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